hiện tượng nghịch nhiệt trong điều kiện nhà kính ở các khu đô thị một số giải pháp khắc phục vấn đề về nhiệt với các tòa nhà bảo vệ môi trường

1.1 Mục đích phương pháp:- Giảm nhiệt độ trong ngôi nhà của bạn- Giảm ô nhiễm môi trường- Tối ưu lượng đất nền sử dụng- Công nghệ làm mát dành cho mọi người- Hạn chế tình trạng hỏa hoạn1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hiện tượng nghịch nhiệt trong điều kiện nhà kính ở các khu

đô thị một số giải pháp khắc phục vấn đề về nhiệt với các tòa

nhà bảo vệ môi trường

Nhóm 5

Nguyễn Hải Minh - 20217626Bùi An Bình - 20217611

Vũ Minh Đức - 20217617Nguyễn Vũ Minh Nhật - 20217630Đinh Trọng Bình - 20217612

Đỗ Tiến Anh - 20217605

I Mục đích thí nghiệm:

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của hiện tượng nghịch nhiệt trong điều kiện nhà kính đến với môi trường,các tòa nhà bảo vệ môi trường và các giải pháp để giảm bớt sự

ô nhiễm của hiện tượng nghịch nhiệt

II Cơ sở lý thuyết

1 Hiện tượng nghịch nhiệt là gì ?

- Hiện tượng nghịch nhiệt trong nhà kính là một hiện tượng quan trọng trong quá trình tạo ra hiệu ứng nhà kính Trong nhà kính, bề mặt của kính hoặc các tấm vật liệu khác sẽ hấp thụ các tia phổ ngắn của ánh sáng mặt trời và chuyển đổi nó thành

nhiệt Sau đó, nhiệt được giữ lại trong nhà kính, tạo ra một môi trường nhiệt độ cao hơn so với ngoài trời.

- Hiện tượng nghịch nhiệt trong nhà kính có cơ sở lý thuyết dựa trên nguyên lý củahiệu ứng nghịch nhiệt và quy luật truyền nhiệt Dưới đây là một giải thích cơ bản

về cơ sở lý thuyết này:

+ Hiệu ứng nghịch nhiệt: Hiệu ứng nghịch nhiệt là hiện tượng nơi mà nhiệt độ bêntrong một cấu trúc, trong trường hợp này là nhà kính, cao hơn so với nhiệt độ môi trường bên ngoài Điều này xảy ra khi ánh sáng mặt trời và năng lượng nhiệt được hấp thụ bởi các thành phần bên trong nhà kính như bức tường, sàn và mái Các thành phần này sau đó tản nhiệt vào không khí bên trong, tạo ra sự tích tụ nhiệt và làm tăng nhiệt độ bên trong

+ Quy luật truyền nhiệt: Truyền nhiệt trong nhà kính xảy ra thông qua ba quá trình

chính: dẫn nhiệt, hướng nhiệt và tỏa nhiệt Trong trường hợp nhà kính, nhiệt độ bên trong tăng do sự hấp thụ và tích tụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường bên ngoài Nhiệt được truyền từ các thành phần nóng bên trong nhà kính đến không khí xung quanh thông qua quá trình tỏa nhiệt Đồng thời, nhiệt cũng có thể truyền từ không khí bên trong đến không khí bên ngoài qua quá trình dẫn nhiệt

và hướng nhiệt

III Một số giải pháp

1 Phương pháp sử dụng vật liệu cách nhiệt :

Ứng dụng vào xây tường 2 lớp bằng vật liệu cách nhiệt

Khí hậu biến đổi nhiệt dộ tăng cao đang là vấn đề nhức nhối của con người ở thế

kỉ mới nhiệt độ tăng cao cùng với hiệu ứng nhà kính làm cho nhu cầu làm mát của con người ngày càng cấp thiết với tình hình đó cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp vật liệu phương pháp chống nóng bằng vật liệu cách nhiệt ra đời giải quyết tình hình của

xã hội và mở ra triển vọng mới trong ngành vật liệu xây dựng

1.1 Mục đích phương pháp:

- Giảm nhiệt độ trong ngôi nhà của bạn

- Giảm ô nhiễm môi trường

- Tối ưu lượng đất nền sử dụng

- Công nghệ làm mát dành cho mọi người

- Hạn chế tình trạng hỏa hoạn

1.2 Phương pháp sử dụng vật liệu cách nhiệt là gì?

- Vật liệu cách nhiệt là sản phẩm có khả năng làm giảm sự truyền nhiệt

(tức là sự truyền nhiệt năng giữa các vật có nhiệt độ khác nhau) giữa các vật tiếpxúc với nhiệt hoặc trong phạm vi ảnh hưởng bức xạ Cách nhiệt có thể đạt được bằng cácphương pháp hoặc quy trình được thiết kế đặc biệt, cũng như với hình dạng và vật liệuthích hợp

Dòng nhiệt là hệ quả tất yếu của sự tiếp xúc giữa các vật có nhiệt độ khácnhau Cách nhiệt cung cấp một vùng cách nhiệt trong đó sự dẫn nhiệt bị giảm hoặc bức

xạ nhiệt bị phản xạ thay vì bị hấp thụ bởi cơ thể có nhiệt độ thấp hơn

Khả năng cách điện của vật liệu được đo bằng nghịch đảo của độ dẫn nhiệt(k) Độ dẫn nhiệt thấp tương đương với khả năng cách điện cao ( Giá trị điệntrở ) Trong kỹ thuật nhiệt, các tính chất quan trọng khác của vật liệu cách nhiệt là mật

độ sản phẩm và nhiệt dung riêng (c)

1.3 Cơ sở lý thuyết (độ dẫn nhiệt)

Độ dẫn nhiệt k được đo bằng watt /một mét trên kelvin (W m−1

K− hoặc m KW) Điều này là do truyền nhiệt, được đo bằng công suất, đã được tìm thấy là (gần đúng) tỷ

lệ với

sự khác biệt của nhiệt độ

diện tích bề mặt tiếp xúc nhiệt A

nghịch đảo của độ dày của vật liệu d

Từ điều này, nó kéo theo sức mạnh của sự mất nhiệt P được đưa ra bởi

P=kA ∆ Td

Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và đối với chất lỏng, nhiệt độ và áp suất của

nó Đối với mục đích so sánh, độ dẫn điện trong điều kiện tiêu chuẩn (20°C ở 1 atm)thường được sử dụng Đối với một số vật liệu, độ dẫn nhiệt cũng có thể phụ thuộc vàohướng truyền nhiệt

-Nhiệt trở:

Là mức độ cản trở dòng nhiệt của vật liệu

R=Kd

d: độ dày vật liệu

K: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

- Fourier’s law: mật độ thông lượng nhiệt

Một vật nghiệm đúng định luật Fourier nếu mật độ dòng nhiệt liên hệ với các biến thiên nhiệt độ bởi

Jth = -K.gradT

Hệ số K dương là hệ số dẫn nhiệt của vật nghiên cứu được biểu diễn bằng W/m.KTrên đây là các công thức cơ sở hình thành nên định hướng vật liệu cách nhiệt từ 3công thức trên ta thấy được tầm quan trọng của độ dẫn nhiệt k và chiều dài của vật liệu d

vì vậy mục tiêu của ngành khoa học vật liệu là tìm ra loại vật liệu có giá trị k nhỏ và thiết

kế với chiều dày cao

1.4 Bài toán thực tế cách nhiệt với bông thủy tinh:

Một nguồn mất nhiệt chính từ một ngôi nhà là thông qua các bức tường Tính tốc

độ từ thông nhiệt qua tường có diện tích 3m x 10m (A = 30m2 ) Bức tường dày 15 cm (L1

) và nó được làm bằng gạch có độ dẫn nhiệt là K1 = 1,0 W / m.K (chất cách nhiệtkém) Giả sử rằng, nhiệt độ trong nhà và ngoài trời là 22 ° C và -8 ° C, và các hệ sốtruyền nhiệt đối lưu ở bên trong và bên ngoài là h1 = 10 W / m K và 2 h2 = 30 W / m2.K,tương ứng Lưu ý rằng, các hệ số đối lưu này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môitrường xung quanh và bên trong (gió, độ ẩm, v.v.)

Tính toán thông lượng nhiệt ( tổn thất nhiệt ) qua bức tường không cách nhiệt này.Bây giờ giả sử cách nhiệt ở phía bên ngoài của bức tường này Sử dụng bông thủytinh cách nhiệt dày 10 cm (L ) với độ dẫn nhiệt của K = 0,023 W / mK và tính toán2 2thông lượng nhiệt ( tổn thất nhiệt ) qua bức tường cách nhiệt này

1.5 Giải pháp

Như đã được viết, nhiều quá trình truyền nhiệt liên quan đến các hệ thống hỗn hợp

và thậm chí liên quan đến sự kết hợp của cả dẫn truyền và đối lưu Với những hệ thống

composite, nó thường là thuận tiện để làm việc với một hệ số truyền nhiệt tổng thể, đượcgọi là một U-factor Yếu tố U được xác định bởi một biểu thức tương tự như định luậtlàm mát của Newton:

Các hệ số truyền nhiệt tổng thể có liên quan đến tổng kháng nhiệt và phụ thuộcvào hình dạng của vấn đề

a) Tường trần ( không cách nhiệt):

Giả sử truyền nhiệt một chiều qua thành phẳng và bỏ qua bức xạ, hệ số truyềnnhiệt tổng thể có thể được tính như sau:

U = 11

10+

0.15

1 +

130

b) Vật liệu tổng hợp (tường có cách nhiệt) :

Giả sử truyền nhiệt một chiều qua tường composite, không có điện trở tiếp xúcnhiệt và coi thường bức xạ, hệ số truyền nhiệt tổng thể có thể được tính như sau:

Các hệ số truyền nhiệt tổng thể là sau đó:

130

Các yếu tố ảnh hưởng vật liệu cách nhiệt

Hiệu suất cách nhiệt bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó nổi bật nhất baogồm:

Độ dẫn nhiệt (giá trị "k" hoặc "λ")

2 Một số đặc tính của vật liệu cách nhiệt

- Hệ số dẫn nhiệt: Đại diện cho khả năng truyền nhiệt của vật liệu, nó bị ảnh hưởng bởi

thành phần vật liệu, độ xốp, nhiệt độ môi trường xung quanh và hướng của dòng nhiệt

- Độ chịu nén: Bởi vì vật liệu cách nhiệt có tính xốp cao, độ nén thường sẽ yếu, vì vậy

những vật liệu cách nhiệt có trọng lượng nhẹ sẽ tốt hơn Cường độ chịu nén của vật liệu

sẽ chắn chắn vật liệu sẽ không bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển, thi công, bảo quản

và trong quá trình sử dụng

- Mức độ hút ẩm: Vật liệu có độ hút ẩm cao hoặc độ hút nước cao sẽ ảnh hưởng tới mức

độ cách nhiệt, cường độ chịu nén và độ bền của vật liệu trong quá trình sử dụng.Vật liệu

ở điều kiện ẩm ướt có tính dẫn nhiệt cao hơn Cần lưu ý rằng nếu nước bị đóng băng, hệ

số dẫn nhiệt của nó sẽ cao hơn Điều này là do độ dẫn nhiệt của nước cao hơn 20 lần so với không khí trong khi độ dẫn nhiệt của băng cao hơn 80 lần so với không khí Do đó, cần đặc biệt chú ý đến việc bảo vệ vật liệu cách nhiệt để chúng không hấp thụ nước và chống ẩm

- Độ thoáng khí: Không khí ở dạng tĩnh có hệ số dẫn nhiệt rất thấp, nhưng nếu vật liệu

có thể tạo ra sự trao đổi không khí giữa hai môi trường ngăn cách thì mức độ cách nhiệt của vật liệu cũng sẽ bị giảm xuống

- Chống cháy: Khả năng chống cháy còn được gọi là khả năng kháng lửa và khả năng bắtlửa của vật liệu Vật liệu dễ cháy cần kết hợp với các vật liệu chống cháy khác để đảm bảo khả năng chống cháy, tính chất cháy của vật liệu được tính ở 800-850C và giữ trong

20 phút

- Kháng hóa chất và vi khuẩn: Vật liệu để tạo thành một khối lớn cần sử dụng một số loại chất kết dính để liên kết, vì vậy vật liệu cần phải có khả năng kháng hóa chất và độ kết dính cao Ngoài ra, trong quá trình sử dụng, chất liệu có thể bị ngấm nước hoặc tiếp xúc với hơi ẩm, đây có thể là nơi để nấm mốc trú ngụ và phát triển nên chất liệu cần phải

có khả năng chống nấm mốc, vi khuẩn tốt

- Độ phát xạ của bề mặt vật liệu: Là đại lượng đặc trưng cho mức độ hấp thụ và bức xạ nhiệt của bề mặt vật liệu (có giá trị từ 0-1) Bức xạ là sự lan truyền hoặc truyền năng lượng dưới dạng sóng hoặc hạt trong không gian hoặc qua môi trường dẫn điện Độ phát

xạ của vật liệu càng thấp thì nhiệt tỏa ra từ bề mặt càng thấp

- Độ phản xạ: Là đại lượng biểu thị khả năng phản xạ bức xạ nhiệt trên bề mặt vật liệu, chống lại sự xâm nhập của bức xạ và bên trong vật liệu Hệ số phản xạ càng cao, khả năng bức xạ càng thấp hoặc khả năng chống bức xạ càng tốt

- Hệ số cách nhiệt tỉ lệ nghịch với tỉ trọng của nó: Nếu vật liệu có tỷ trọng cao thì hệ sốcách nhiệt thấp hoặc hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cao Ngược lại, với vật liệu có tỷ trọng thấp thì mức độ dẫn nhiệt cũng thấp hay hệ số cách nhiệt của vật liệu cao

3.Phương pháp tạo ra các loại vật liệu cách nhiệt:

Đây là phương pháp tạo rỗng phổ biến với vật liệu cấu trúc sợi, hạt Độ rỗng xảy

ra bởi quá trình sắp xếp không chặt chẽ , tạo ra các vật liệu có độ nhớt thấp các phân tử vật liệu dạng sợi chồng lên nhau ví dụ điển hình: Bông thủy tinh

4 Các loại vật liệu cách nhiệt phổ biến

Trên thế giới có rất nhiều loại vật liệu cách nhiệt phổ biến một trong số chúng phải

kể tới:

Bông Thủy Tinh

Được phát minh từ những năm 1933 bởi Games Slayter (Mỹ) Bông thủy tinhđược làm từ sợi thủy tinh, cấu tạo bởi Aluminum, Oxit kim loại và Silicat canxi…, bôngthủy tinh có ưu điểm cao về khả năng cách nhiệt lên đến 97% và có thể chịu được nhiệt

độ cao đến 350 C, cách điện, chống ồn cũng khá tốt Ngoài ra, vật liệu này còn đàn hồiotốt, bề mặt mềm mịn, dễ chịu Đặc biệt, nó không phải là vật liệu dễ cháy nên đảm bảohạn chế vấn đề về nguy cơ hỏa hoạn

Trong bông thủy tinh cách nhiệt cũng không chứa chất Amiang (là hợp chất gâyung thư phổi) nên khá an toàn khi sử dụng

Ứng dụng: Bông thủy tinh được sử dụng nhiều trong các hệ thống điều hòa khí, thông

gió, hệ thống bảo ôn và cách nhiệt kho lạnh

Đối với nhà ở, nhà máy, chuồng trại, kho bãi…, chúng được sử dụng đểchống nóng Đối với những công trình và tụ điểm giải trí như quán karaoke, phòng trà,bar, beer club, người ta dùng bông thủy tinh ngoài mục đích cách nhiệt, còn để cách âmkhá tốt

Tấm cách nhiệt XPS

Vật liệu có độ dày từ 15mm – 18mm có khả năng cách nhiệt, cách âm tốt cũngnhư giúp giảm chi phí về điện năng Nó cũng được xem là loại vật liệu cách nhiệt có độbền cao, chống ẩm khá tốt và đặc biệt, khả năng cách nhiệt vẫn duy trì tốt > 80% saukhoảng thời gian 50 năm sử dụng

Ứng dụng: Lót trần nhà, lót sàn dân dụng hoặc trong công nghiệp kho lạnh.

Tấm xi măng cách nhiệt

Có 2 loại tấm xi măng cách nhiệt được phân loại dựa cào thành phần cấu tạo: sợixenlulo hay từ dăm gỗ Ngoài khả năng chịu nhiệt tốt, chúng còn giúp làm tăng cường sựcứng cáp cho vách, trần hay sàn nhà, chống cháy tốt và không bị hư do mối mọt

Ứng dụng: tấm vách, trần hoặc sàn nhà, vách ngăn…

Bọt xốp Polyurethane

Mặc dù không đứng đầu bảng trong danh mục vật liệu cách điện tốt nhất, thế nhưng Bọt xốp Polyurethane (hay còn gọi là bọt Polyurethane – PUR) là một trong những vật liệu cách nhiệt tuyệt vời Chúng sử dụng khí không

chứa chlorofluorocarbon (CFC) để tạo nở, giảm mức ảnh hưởng của tầng ozone và giảm

trọng lượng của hoạt chất Với mật độ bọt thấp, sản phẩm có thể được phun vào các khu vực không có lớp cách nhiệt.

Ưu điểm của tấm xốp cách nhiệt Polyurethane:

– Chống nóng cực tốt, chống âm ưu việt

– Chống thấm, tỉ suất hút nước của sản phẩm dưới 0,1%

– Chống biến dạng, không bị méo mó do tác động của môi trường sống

– Trọng lượng nhẹ, dễ dàng thi công

Nhược điểm tấm xốp cách nhiệt Polyurethane

– Giá thành cao hơn so với các vật liệu cách nhiệt truyền thống

– Cách điện kém

Tấm thạch cao

Thạch cao chống nóng là một trong những vật liệu cách nhiệt giá rẻ, sử dụng dễ dàng

và khá phổ biến trên thị trường Chúng có tác dụng giữ nhiệt, giúp nhiệt độ không gian luôn ở mức ổn định, nhờ đó tiết kiệm hiệu suất làm việc của điều hoà, máy lạnh, quạt hơi nước…

Thạch cao chống nóng có ưu điểm vượt trội

Ưu điểm

– Chống cháy tốt, chịu lửa vượt quá 3,5 giờ

– Vật liệu cách âm hiệu quả, giảm chỉ số âm thanh từ 40 – 50 dB

– Trọng lượng nhẹ, độ bền cao

– Hiệu ứng thẩm mỹ tốt

– Vật liệu xanh bảo vệ môi trường sống

Nhược điểm

– Yêu cầu kỹ thuật thi công cao, theo đó chi phí lắp đặt hoặc sửa chữa cũng tăng vọt.

– Chống ẩm kém do thạch cao có tính hút nước

– Khả năng bị ngả màu theo thời gian

Ứng dụng

Thạch cao có tính đa dụng, có thể kể đến như:

– Dùng để chống cháy cho kết cấu thép

– Trần thạch cao tạo hiệu ứng thẩm mỹ tốt

– Vách thạch cao chống ồn hiệu quả

5 ứng dụng vật liệu cách nhiệt

a) Cách nhiệt tòa nhà

Duy trì nhiệt độ chấp nhận được trong các tòa nhà (bằng cách sưởi ấm và làm mát)

sử dụng một tỷ lệ lớn năng lượng tiêu thụ toàn cầu Vật liệu cách nhiệt trong tòa nhà cũngthường sử dụng nguyên tắc của các tế bào không khí nhỏ bị mắc kẹt như đã giải thích ởtrên, ví dụ như sợi thủy tinh (cụ thể là bông thủy tinh ), xenlulo, len đá, bọtpolystyrene, bọt urethane, vermiculite, đá trân châu, nút chai, v.v Tuynhiên, amiăng cũng được sử dụng, nó gây ra các vấn đề về sức khỏe

Phim cách nhiệt cửa sổ có thể được ứng dụng trong các ứng dụng thời tiết hóa đểgiảm bức xạ nhiệt vào mùa hè và thất thoát vào mùa đông

* Khi được cách nhiệt tốt, một tòa nhà sẽ

- Tiết kiệm năng lượng và rẻ hơn để giữ ấm vào mùa đông hoặc mát vào mùa hè Hiệuquả năng lượng sẽ dẫn đến giảm lượng khí thải carbon

- Thoải mái hơn vì có nhiệt độ đồng đều trong toàn bộ không gian Có ít độ dốc nhiệt độhơn theo cả chiều dọc (giữa chiều cao mắt cá chân và chiều cao của đầu) và theo chiềungang từ tường bên ngoài, trần nhà và cửa sổ đến các bức tường bên trong, do đó tạo ramột môi trường cư trú thoải mái hơn khi nhiệt độ bên ngoài cực kỳ lạnh hoặc quá nóng

- Trong công nghiệp, năng lượng phải được sử dụng để tăng, giảm hoặc duy trì nhiệt độcủa các vật thể hoặc xử lý chất lỏng Nếu chúng không được cách nhiệt, điều này sẽ làmtăng yêu cầu năng lượng của một quá trình, và do đó chi phí và tác động đến môi trường

b) Cách nhiệt hệ thống cơ khí